005多孔泡沫金属材料的性能及其应用.pdf

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1、多孔泡沫金属材料的性能及其应用曹立宏,马 颖(兰州理工大学材料工程学院,甘肃 兰州730050)摘 要:多孔泡沫金属是一种在金属基体中含有一定数量、一定尺寸孔径、一定孔隙率的孔洞的金属材料.由于其结构特殊,因此具备了多方面的特殊性能。作为结构材料,它具有轻质、高比强度的特点;作为功能材料,它具有多孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能,因此在国内外一般工业领域及高技术领域都得到了越来越广泛的应用.本文对这种多孔泡沫金属材料的性能及其应用进行了较为全面的介绍。关键词:多孔泡沫金属;性能;应用中图分类号:TG14 TB323 多孔泡沫金属是近几十年发展起来的一种功能材

2、料,对其概念或分类学术界不尽统一,但基本上有如下定义方式:多孔泡沫金属是一种金属基体中含有一定数量、一定尺寸孔径、一定孔隙率的金属材料.概括起来,主要有如下分类方式:(1)按孔径和孔隙率的大小分为两类:多孔金属和泡沫金属.孔径小于013mm,孔隙率在45%90%的,称为多孔金属(porous metal);而孔径在0156mm,孔隙率大于90%的,称为泡沫金属(foam metal);(2)按孔的形状特征进行分类:具有通孔结构的称为多孔金属,具有闭孔结构的称为胞状金属(cellu2lar metal).但用得最多的是多孔金属和泡沫金属,且多数作者都将两者视为等同的概念.目前更为合适的名称为多孔

3、泡沫金属(porous foam metal)1-3.多孔泡沫金属材料实际上是金属与气体的复合材料,正是由于这种特殊的结构,使之既有金属的特性又有气泡特性,综合表现为能量吸收性(如吸音、减震等)、渗透性、阻燃耐热性、轻质等,故一直被期望用于建筑材料、吸音材料、减震材料、过滤器材料、电池电极材料等方面.如果在气孔结构的工艺控制、短流程连续化工业生产等关键性技术方面取得突破,多孔泡沫金属材料将为金属材料及其它相关领域带来革命性进展。1 多孔泡沫金属材料的结构特点4泡沫金属的孔径一般较大,01110mm或更大(一般粉末冶金金属孔径不大于0.3mm)。孔隙率较高,一般随其种类不同而不同,在40%98%

4、的范围内变化。直接发泡法制作的泡沫金属,孔隙率在40%60%左右,而通孔的海绵态泡沫金属的孔隙率可高达98%。随孔隙率的提高,泡沫金属的密度降低,泡沫金属的密度低,一般只有同体积金属的1/103/5。它的比表面积则较大,为1040cm2/cm3。例如孔隙率大于63%的泡沫铝合金,其密度可达1以下,能够浮于水面上.2 多孔泡沫金属的性能及其应用泡沫金属材料的性能主要取决于气孔在基体材料内的分布情况,包括气孔的类型、形状、大小、数量、均匀性、以及比表面积等.多孔泡沫金属材料自问世以来,作为结构材料,它具有轻质、高比强度的特点;作为功能材料,它具有多孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁

5、屏蔽等多种物理性能5;因此它在国内外一般工业领域及高技术领域都得到了越来越广泛的应用。2.1 渗透性能及应用渗透性是高孔隙率材料在过滤、液-液分离、噪声抑制等方面的关键性能。泡沫金属中闭孔的数目对渗透性的影响较大,只有那些具有通孔结构的泡沫材料才有渗透性能,另外,渗透性还与孔径大小、孔的表面光洁度、渗透物体的性质(如黏度、流速)、渗透压力等因素有关.因其多孔性可将其应用于化学过滤器(如滤掉液体、气体中的固体颗粒等)、供净化水使用的气化处理器、自动加油的含油轴承、带香第22卷 第6期2006年6月甘 肃 科 技Gansu Science and TechnologyVol.22No.6J un.

6、2006味的装饰品等。通过对泡沫金属孔结构(如孔隙度、孔径大小、通孔度等)的调整,可以获得不同透过性能要求的泡沫金属材料。2.2 消声减震性能及应用6-8具有通孔结构的泡沫金属材料,当有声波或机械振动波进入时,孔内介质(一般为空气)在声波作用下产生周期性的震动而与孔壁摩擦形成摩擦热,孔内介质在声波作用下发生压缩 膨胀形变也使部分声能变为热能,这种能量转换是不可逆的,对消声起主导作用;另外,泡沫材料本身也可以因弹性震动而消耗一部分声能;又由于泡沫材料具有的特殊结构,使其具有改变声源特性的功效,可以使难以消除的中低频段噪声峰值移向高频段,这些特征均为采用常规手段进一步降低气流噪声提供了有利条件。与

7、其它的消音材料相比,泡沫金属具有其它材料无法比拟的优良性能。首先,可耐高达780 的高温,且受热时也不会释放有毒物质,非常有利于环境保;其次,其刚性很大,可制成独立的消音板材;第三,不受潮,不易污染,即使受到污染也很容易清洗,即可恢复原貌;第四,回收再生性强,对资源的有效利用与保护环境极为有利,且由于它是一种超轻型材料,便于运输和施工与装配。利用这些性能特点可以制作各种环保消声材料。一般来说,泡沫金属孔隙率越高,孔直径越小,消声减震性越好。其消声能力虽不及玻璃棉、石棉等,但后者存在长期使用易老化、吸湿后消声能力下降等缺点,而泡沫金属材料具有不燃烧、重量轻、强度较高等优点,是相对优良的消声减震材

8、料。国外泡沫金属材料在吸声方面也有较多的应用,日本在泡沫金属的应用上取得了一系列的成果,用它生产列车的发电室、工厂的降噪装置。由于对频率大于800Hz的噪声有很强的消声能力,可用它来生产空压机的消声器材,另外还可用它来生产公路的防声壁、工厂的防声墙、机械防声屏、门内消声件、影响室及需要降低噪声的场合等等。在国防领域的武器装备中还可以制作鱼雷的隔音板,减小鱼雷的噪音。利用其减振、阻尼性能,做缓冲器、吸振器,例如宇宙飞船的起落架、升降机传送安全垫、各种包装箱,特别是空运包装箱,机床床身、底座、减小齿轮振动和噪声的阻尼环、高速磨床吸能内衬。2.3 电学性能及应用9泡沫金属由金属骨架孔隙所构成,组织极

9、不均匀,应力-应变曲线中含有一段很长的平台区,因而它是一种具有很高能量吸收特性的高阻尼材料,如果在孔中填充入高分子聚合物,其阻尼特性更高.阻尼特性随比表面积的增大(小孔径,高孔隙率)而增大.海绵泡沫金属材料由于具有粗细均匀的三维骨架结构,没有烧结多孔金属材料的那种缩颈现象,因此它的导电率要比同样孔隙率的烧结多孔金属材料大。在能源材料方面,随着能源危机及绿色革命的兴起,以太阳能电池和电动汽车电池为龙头的开发研究必定为化学电源的发展带来新的契机.轻量化、高比能、高吸收转化率的电池材料的开发成为这一发展的关键,烧结多孔电极存在孔隙率不高、活性物质利用率低、电极强度不够、电极制造工艺复杂等不足,采用更

10、高孔隙率的泡沫金属材料作为化学电源电极的结构材料,应该是化学电源的一次革命.2.4 热传导性能及应用泡沫金属材料孔隙中存在有低导热系数的空气介质,其导热性随着孔隙率的增加而呈指数下降的趋势,一般的金属或合金的导热系数为10W300W/m.K,而多孔泡沫金属材料的表观导热系数为金属或合金的0110101倍。泡沫金属材料的导热系数介于金属材料与隔热材料之间,闭孔结构的绝热性能优于通孔结构。具有通孔结构的泡沫金属置于流动的空气或液体之中时,由于其大的表面积、复杂的三维流动,使之具有很好的散热能力,在自然对流的条件下,在一定范围内增大孔径、孔隙率均有利于提高对流换热能力。因其散热性能优异,已用其制作了

11、散热器等部件。2.5 耐热抗氧化性能及其应用10泡沫金属一般有高的耐热性能,即使温度达到基体合金的熔点也不溶解,例如,ALMAG合金的使用温度范围为560640,但是ALMAG合金的泡沫合金在大气中加热到1400 也不溶解。烧结多孔金属材料由于是以粉末为原料烧结而成的,容易在颗粒之间产生腐蚀、氧化,而海绵态泡沫金属材料具有光滑的骨架表面、均匀的材质,所以它具有与无孔金属大致一样的耐热抗氧化性能11。在建筑业中使用的材料要求具有良好的绝热性能,泡沫金属材料在这一方面要比泡沫塑料或其它的复合材料优秀的多。因其具有轻质、耐热且不易燃烧的特点,所以在房屋建筑中用它来制作室内外装修与天花板的材料,可有效

12、防止意外火灾中造成811 甘 肃 科 技 第22卷的巨大损失。其它方面的应用也在日趋发展。由于泡沫金属在韧性和热导率方面的优势,是催化载体材料的又一选择12,如将催化剂浆料涂于薄的泡沫金属片表面,后通过成型(如轧制)和高温处理,可以用于电厂废气氮氧化物(NOX)等的处理.2.6 抗冲击性能及其应用泡沫金属材料具有独特的网状、无方向性多孔结构,而又无反弹作用。多孔性特征使它具有特殊的压缩应力 应变特性,从而具备了优良的吸能性能,相应的抗冲击性能也就优于其它材料。泡沫金属材料在受到外界压力时存在三个变形阶段,即弹性变形阶段、脆性破碎阶段和紧实阶段,因而当泡沫金属材料受到冲击时,应变强烈滞后于应力1

13、3。在弹性变形阶段,泡沫金属因受到外界压力而发生弹性变形,变形的主要部分为它的骨架部分;而在脆性破碎阶段,当外界压力超过它的弹性承载能力时,极易发生骨架破碎,在此阶段,应力增加不大而应变却因骨架的破碎迅速增加;在紧实阶段,由于骨架的破碎而被挤压到一起,此时泡沫金属实际上成为实体金属,当应力增加时,应变基本上没有太大的变化。泡沫金属材料有理想的冲击吸收性能,根据密度的不同,泡沫金属的吸能能力可达490KJ/m33430KJ/m3,所以这种材料是一种有效的防撞与防震材料,在精密仪器包装中具有非常好的应用前景14。2.7 电磁屏蔽性能及其应用的电磁屏蔽性能远比纯铁、含铜粉涂料的优良,泡沫铝对电磁波具

14、有优良的屏蔽作用,特别是对高频电磁波的屏蔽效果更好。由于它具有这种良好的屏蔽性能,用它可以建造电子装备室、电子设备等。日本用KEC法测定ALPORAS RCO5泡沫铝的屏蔽效果,结果发现它的屏蔽作用远高于导电性涂料与导电性材料。因其优异的电磁屏蔽性能,已将其用于制作电子仪器外壳和电屏蔽室等结构。2.8 高比强度性能及其应用15由于在金属基体中存在许多大大小小的孔隙,因此使这种材料明显有重量轻。密度低的特点。泡沫铝的密度范围在012015g/cm3,其平均值只有铝的1/10。泡沫金属材料具有轻质、高比强度的优点,可用其制作浮水器、运动器材(如雪橇等)、航空航天飞行器的相应零件。据有关资料报道,用

15、多孔泡沫金属材料制造飞行器,不但有减轻重量、节省能源的好处,而且还有一个优点,即当空间站结束其使命时可以让它重返大气层,在大气层中迅速彻底地燃烧,化成气体,减少空间垃圾。2.9 生物医学材料利用Ti或Co-Cr合金泡沫与人体的生物相容性,可用于人体骨骼或牙齿的替代材料,Mg泡沫也有望作为人工骨头的材料16,多孔Ni-Ti形状记忆合金由于好的机械性能、耐腐蚀性能和形状记忆效应,也可作为人体骨骼的替代物17.3 前景展望泡沫金属虽然已有近50年的历史,但是对泡沫金属的研制和开发大都以轻金属为对象,尤其以泡沫铝的研究最为广泛。这是由于铝及其合金熔点低、铸造性能好、金属液易处理等特点。另外可以制作泡沫

16、金属的材料还有Cu、Zn等低熔点金属及其合金,但这些材料远不如泡沫铝的研究开发进行的广泛。从目前发展现状来看,多孔泡沫金属材料尽管在一些部门得到了应用,但只局限在部分性能的应用方面,而大部分的优良性能仍然没有开发出来。另外许多开发利用仅仅局限在实验室范围内,还没有完全达到工业应用的需求,要在大量的生产实际中广为应用,还需要进一步的深入研究与开发。参考文献:1武小娟等 泡沫铝的制备与应用1新技术新工艺,2002,4:492512 何德平等 铝熔体泡沫化制备胞状铝的研究进展1铸造,1999,4:1253 王录才等 多孔泡沫金属的研究及其前景展望1太原重型机械学院学报,2000,23(1):7327

17、64 今川耕治,上野英俊,秋山茂.发泡金属多孔性金属材料 特性 用途J .工业材料,1982,30(10):69-75.5Davies G.J.,Shu Zhen.Metallic Foams:Their pro2duction,Properties and Applications J.Journal ofMaterials Science,1983,186 石井荣一.发泡.?.?.制造方法 吸音特性J .神户制钢技报,1991,41(2):59-61.7许庆彦,陈玉勇,李庆春.多孔泡沫金属的研究现状J.铸造设备研究,1997(1):18-24.8 石井荣一,西河徵.发泡.?.新用途J.工业

18、材料,1987,35(14):74-76.9 吴照金,王艳明,何德坪.铝熔体泡沫化制备胞状铝的研究进展J.铸造,1999.(4):1-5.(下转121页)911第6期 曹立宏等:多孔泡沫金属材料的性能及其应用当活动节全升起后,受力最大的是最下一节活动节的导轮,但由于各活动节导轮受力不等、导轮数目不等,则需分别进行计算。将雪荷载产生的轮压和风荷载产生的轮压分别进行计算,得出最大垂直轮压和最大水平轮压,从而得到导轮轮缘法向压力,根据导轮最大法向压力和轴向最大水平压力,按弯曲强度可确定导轮轴径,校核轴的箭切强度。此外,当地震裂度为七至九级时,还需按照抗震设计规范进行气柜抗震设计。3 柜体结构3.1

19、水槽底板、壁板和活动塔节壁板水槽底板中幅板的焊接采用对接焊,外圈板上焊有工字钢作为垫梁,当塔体落下时,自重由垫梁传至基础。底板和壁板在设计时,相邻两板的纵焊缝不得相遇,要求至少错开250mm。活动塔节壁板顺导轨螺旋方向设计成菱形,钟罩顶的拼接可用对接也可用搭接。3.2 导轮、导轨气柜导轨采用标准轻轨煨弯成螺旋形。敷设在各塔节壁板上并与水平方向成45 倾角。上下两相邻塔节上的导轨螺旋方向相反,各塔节的导轨数量一般取4的倍数。导轮因长期处于受力和磨损状况,其材料应具有较高的耐磨性和接触强度,经热处理后表面硬度HB值要大于等于320,并具有一定的深层硬度,距表面15mm处的硬度HB值应不低于280,

20、导轮材料一般采用45号钢或35号、55号铸钢。导轮设计中还应考虑到润滑方面。3.3 钟罩钟罩结构为自支承圆拱罩顶。3.4 水槽防冻因北方地区冬季室外温度较低,为了保证气柜冬季正常运行,在设计计算时,必须考虑到解决防冻问题。气柜防冻有两条解决途径,一是在水槽外设计与水槽等高的保温墙;二是在水槽和各塔节水槽设置蒸气管,用喷射器将蒸汽射入水中。3.5 柜位测量气柜柜位随气体的充入和排出不断变化,为了测知气柜柜位,除在塔体上刻有刻度外,还装有检测柜位装置。4 气柜制造中应注意的事项气柜制造除应遵循 金属焊接结构湿式气柜施工及验收规范 外,并根据现场施工经验等方面还应注意以下几点:(1)气柜水槽要承受水

21、重、自重及其他荷载且面积较大,为了防止受力后底板凹陷,在制造过程中,应使底板中心拱起。中心拱升高度为水槽直径的1%,并与基础起拱贴合。底板靠近基础一侧为隐蔽工程,在整块板拼装之前,要求对每块板涂刷防腐涂料,并进行检查验收,以免漏检或造成返工。(2)水槽壁板,水槽底板是由若干快钢板拼制而成的,其尺寸应根据实际供货情况而定,在保证强度要求的前提下,尽量采用原尺寸。但在确定水槽壁板各圈板尺寸时,应根据该点所承受的静水压力,逐圈进行验算,以达到既合理下料又安全可靠的目的。(3)气柜导轨要在专门制作的胎具上加工、煨制、矫形,以便加工出45 螺旋导轨。(上接119页)10 长田纯夫.多孔质金属 开发 应用

22、J .表面,1989,27(8):679-686.11 陈学广,赵维民,马彦东,胡爱文.泡沫金属的发展现状、研究与应用.粉末冶金技术.2002(12):356-359 3王芳,王录才.泡沫金属的研究与发展J .铸造设备研究,2000(3):48-51.12 王月.压缩率和密度对泡沫铝吸声性能的影响J.机械工程材料,2002,26(3):2931.13 王斌,何德坪,舒光冀.泡沫Al合金的压缩性能及其能量吸收J.金属学报,2000,36(10):37-40.14 王祝堂,泡沫铝材:生产工艺、组织性能及应用市场,轻合金加工技术1999,27(10):1-4.15 王录才,于利民,王 芳,李秀山.多孔泡沫金属的研究及其前景展望.太原重型机械学院学报2002.(3):72-76.16ERG Inc.Oakland EB/OL .USA,ht tp:/.17SEAC International B V.Kirmpen,Netherlands,Product Data sheet ofRecemat EB/OL.http:/www.seac.nl,1998.121第6期 赵堂福:污水处理厂贮气柜设计的点滴体会